一种光电混合存储的相变存储器结构及其制备方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 103559909 A (43)申请公布日 2014.02.05 CN 103559909 A (21)申请号 201310534339.5 (22)申请日 2013.10.31 G11C 13/00(2006.01) H01L 27/24(2006.01) H01L 45/00(2006.01) (71)申请人 中国科学院上海微系统与信息技术 研究所 地址 200050 上海市长宁区长宁路 865 号 (72)发明人 刘波 宋志棠 封松林 (74)专利代理机构 上海光华专利事务所 31219 代理人 李仪萍 (54) 发明名称 一种光电混合存储的相变存储器结构及其制。

2、 备方法 (57) 摘要 本发明涉及一种光电混合存储的相变存储器 结构及其制备方法， 包括以下步骤 ： 提供一设有 字线的衬底， 在所述字线上制备若干导电通孔下 电极 ； 在所述导电通孔下电极层上制备选择开关 器件 ； 继续制备与选择开关器件接触的导电互连 通孔电极 ； 接着制备与其接触的半导体激光器 ； 在所述半导体激光器层上制备与其接触的导电透 明电极 ； 继续制备与其接触的相变材料层 ； 继续 在所述相变材料层上制备导电反射层 ； 接着在所 述导电反射层上制备导电通孔上电极并形成位 线。该相变存储器单元的特点是利用激光信号实 现信息的写入和擦除， 利用电信号实现信息的读 出， 从而充分利。

3、用了激光写入的高速特性和电信 号读出的高信噪比特性， 实现高速的相变存储器。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 8 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图8页 (10)申请公布号 CN 103559909 A CN 103559909 A 1/2 页 2 1. 一种光电混合存储的相变存储器结构， 其特征在于， 该相变存储结构包括 上表面制备有若干字线的衬底 ； 位于所述字线上表面的若干导电通孔下电极 ； 所述导电通孔下电极上表面设有选择开关器件 ； 所述选择开关器件上设有与其接触的导电互连通孔电极 ； 所。

4、述导电通互连孔电极上设有与其接触的半导体激光器 ； 所述半导体激光器上方设有与其接触的导电透明电极 ； 所述导电透明电极上方设有与其接触的相变材料层 ； 所述相变材料层上表面设有导电反射层 ； 所述导电反射层上表面设有若干导电通孔上电极 ； 所述导电通孔上电极上表面设有若干位线。 2. 根据权利要求 1 所述的光电混合存储的相变存储器结构， 其特征在于， 所述字线为 导电连线， 其材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化钛、 氮化铝钛或氮化钽。 3. 根据权利要求 1 所述的光电混合存储的相变存储器结构， 其特征在于， 所述导电通 孔下电极的材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化。

5、钛、 氮化铝钛或氮化钽。 4. 根据权利要求 1 所述的光电混合存储的相变存储器结构， 其特征在于， 所述选择开 关器件为用于寻址、 单向导电开关和提供驱动电流的单向导电开关。 5. 根据权利要求 1 所述的光电混合存储的相变存储器结构， 其特征在于， 所述导电互 连通孔电极的材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化钛、 氮化铝钛或氮化钽。 6. 根据权利要求 1 所述的光电混合存储的相变存储器结构， 其特征在于， 所述导电反 射层用于反射半导体激光器产生的激光和导通选择开关器件产生的电流， 其材料选自铝、 银、 金、 铜、 钨或钛。 7. 根据权利要求 1 所述的光电混合存储的相变存储。

6、器结构， 其特征在于， 所述导电通 孔上电极材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化钛、 氮化铝钛或氮化钽。 8. 根据权利要求 1 所述的光电混合存储的相变存储器结构， 其特征在于， 所述位线为 导电连线， 材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化钛、 氮化铝钛或氮化钽。 9. 一种光电混合存储的相变存储器制备方法， 其特征在于， 该方法包括以下步骤 ： a) 提供一衬底， 在该衬底内制备嵌于其中的若干字线 ； b) 在所述字线层上制备若干导电通孔下电极 ； c) 在所述导电通孔下电极层上制备选择开关器件 ； d) 继续在所述选择开关器件层上制备与其接触的导电互连通孔电极 ； e。

7、) 接着在所述导电通互连孔电极层上制备与其接触的半导体激光器 ； f) 在所述半导体激光器层上制备与其接触的导电透明电极 ； g) 在所述导电透明电极层上制备与其接触的相变材料层 ； h) 继续在所述相变材料层上制备导电反射层 ； i) 接着在所述导电反射层上制备导电通孔上电极 ； j) 在所述导电通孔上电极层形成位线 ； k) 把所有字线和位线与外围电路相连， 形成完整的光电混合存储的相变存储器芯片。 10. 根据权利要求 9 所述的光电混合存储的相变存储器制备方法， 其特征在于， 所述半 权 利 要 求 书 CN 103559909 A 2 2/2 页 3 导体激光器用于产生激光， 其波长。

8、涵盖红外到紫外， 功率为 0.5-15mW， 脉冲激光的宽度涵盖 飞秒到纳秒。 11. 根据权利要求 9 所述的光电混合存储的相变存储器制备方法， 其特征在于， 所述导 电透明电极用于传输半导体激光器产生的激光和选择开关器件产生的电流， 其透光率大于 80%、 电阻值小于 100000 欧姆。 权 利 要 求 书 CN 103559909 A 3 1/5 页 4 一种光电混合存储的相变存储器结构及其制备方法 技术领域 0001 本发明属于微纳电子技术领域。 本发明具体涉及一种光电混合存储的相变存储器 结构及其制备方法。 背景技术 0002 相 变 存 储 器 技 术 是 基 于 Ovshins。

9、ky 在 20 世 纪 60 年 代 末 (Phys.Rev. Lett.,21,14501453,1968)70年代初(Appl.Phys.Lett.,18,254257,1971)提出的相 变薄膜可以应用于相变存储介质的构想建立起来的， 是一种价格便宜、 性能稳定的存储器 件。相变存储器可以做在硅晶片衬底上， 其关键材料是可记录的相变薄膜、 加热电极材料、 绝热材料和引出电极材料等。相变存储器的基本原理是利用电脉冲信号作用于器件单元 上， 使相变材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变， 通过分辨非晶态时的高阻与多晶态 时的低阻， 可以实现信息的写入、 擦除和读出操作。 0003 相变存储器的。

10、关键材料是硫系化合物合金材料， 它的特点是当给它一个电脉冲 或采用激光加热的方法时可以使材料在非晶态与多晶态之间发生可逆相变。伴随着材料 结构的可逆相变， 材料的光学和电学等性能发生可逆相变， 处于非晶态时呈现高阻 ( 低反 射率 )， 多晶态时呈现低阻 ( 高反射率 )， 电阻变化幅度可达几个数量级， 这样就可以作为 一个非挥发性存储器。硫系化合物光学性能的可逆变化特性已成功用于 CD-RW(Compact Disk Rewritable)、 DVDRW(Digital Versatile Disk Rewritable)、 DVD-RAM(Digital Versatile Disk Ra。

11、ndom Access Memory) 和 HD-DVD(High-Density Digital Versatile Disk) 等系列可擦重写相变光盘。而利用其电阻性能的相变存储器技术也已进入市场。 0004 存储器的研究一直朝着高速的方向发展。 但是相变存储器的擦除过程涉及相变材 料的结晶， 所需时间往往在几百甚至几千纳秒， 是制约相变存储器速度的瓶颈所在。 利用激 光诱导相变材料发生结晶可以在皮秒甚至飞秒量级时间内完成， 但是结晶前后相变材料的 光学性能差异太小， 信息存储的载噪比很低 ； 而利用脉冲电信号诱导相变材料发生结晶， 结 晶前后相变材料的电学性能差异非常大， 可获得很高的信。

12、息存储载噪比， 但是发生结晶的 时间太长， 无法满足高速存储要求。如果利用激光诱导相变材料相变实现信息的写入和擦 除， 而利用测量相变材料的电阻变化可实现信息的准确无误读出， 这就是所谓的光写入、 电 读出的光电混合存储相变存储器技术， 借此可充分发挥传统意义的光存储和相变存储器的 各自优势， 实现高速存储的目的。 但如何实现光电混合存储的器件结构设计是一大难题， 为 此， 本发明提出一种光电混合存储的相变存储器结构解决上述技术问题。 发明内容 0005 鉴于以上所述现有技术的缺点， 本发明的目的在于提供一种光电混合存储的相变 存储器结构及其制备方法， 用于解决现有技术中信息存储速度慢或载噪比。

13、低的问题。 0006 为实现上述目的及其他相关目的， 本发明提供一种光电混合存储的相变存储器结 构， 该相变存储结构包括上表面制备有若干字线的衬底 ； 位于所述字线上表面的若干导电 说 明 书 CN 103559909 A 4 2/5 页 5 通孔下电极 ； 所述导电通孔下电极上表面设有选择开关器件 ； 所述选择开关器件上设有与 其接触的导电互连通孔电极 ； 所述导电通互连孔电极上设有与其接触的半导体激光器 ； 所 述半导体激光器上方设有与其接触的导电透明电极 ； 所述导电透明电极上方设有与其接触 的相变材料层 ； 所述相变材料层上表面设有导电反射层 ； 所述导电反射层上表面设有若干 导电通孔。

14、上电极 ； 所述导电通孔上电极上表面设有若干位线。 0007 优选地， 所述字线为导电连线， 其材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化钛、 氮化铝 钛或氮化钽。 0008 优选地， 所述导电通孔下电极的材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化钛、 氮化铝钛 或氮化钽。 0009 优选地， 所述选择开关器件为用于寻址、 单向导电开关和提供驱动电流的单向导 电开关。 0010 优选地， 所述导电互连通孔电极的材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化钛、 氮化铝 钛或氮化钽。 0011 优选地， 所述导电反射层用于反射半导体激光器产生的激光和导通选择开关器件 产生的电流， 其材料。

15、选自铝、 银、 金、 铜、 钨或钛。 0012 优选地， 所述导电通孔上电极材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化钛、 氮化铝钛或 氮化钽。 0013 优选地， 所述位线为导电连线， 材料选自多晶硅、 铝、 铜、 钨、 钛、 氮化钛、 氮化铝钛 或氮化钽。 0014 本发明还包括一种光电混合存储的相变存储器结构制备方法， 该方法包括以下步 骤 ： 0015 a) 提供一衬底， 在该衬底内制备嵌于其中的若干字线 ； 0016 b) 在所述字线层上制备若干导电通孔下电极 ； 0017 c) 在所述导电通孔下电极层上制备选择开关器件 ； 0018 d) 继续在所述选择开关器件层上制备与其接触。

16、的导电互连通孔电极 ； 0019 e) 接着在所述导电通互连孔电极层上制备与其接触的半导体激光器 ； 0020 f) 在所述半导体激光器层上制备与其接触的导电透明电极 ； 0021 g) 在所述导电透明电极层上制备与其接触的相变材料层 ； 0022 h) 继续在所述相变材料层上制备导电反射层 ； 0023 i) 接着在所述导电反射层上制备导电通孔上电极 ； 0024 j) 在所述导电通孔上电极层形成位线 ； 0025 k) 把所有字线和位线与外围电路相连， 形成完整的光电混合存储的相变存储器芯 片。 0026 优选地， 所述半导体激光器用于产生激光， 其波长涵盖红外到紫外， 功率为 0.5-1。

17、5mW， 脉冲激光的宽度涵盖飞秒到纳秒。 0027 优选地， 所述导电透明电极用于传输半导体激光器产生的激光和选择开关器件产 生的电流， 其透光率大于 80%、 电阻值小于 100000 欧姆。 0028 如上所述， 本发明的相变存储器单元的特点是利用激光信号实现信息的写入和擦 除， 利用电信号实现信息的读出， 从而充分利用了激光写入的高速特性和电信号读出的高 说 明 书 CN 103559909 A 5 3/5 页 6 信噪比特性， 实现高速的相变存储器。 附图说明 0029 图 1 显示为本发明制备成的字线层的结构示意图。 0030 图 2 显示为本发明在字线层上制备的若干导电通孔下电极层。

18、的结构示意图。 0031 图 3 显示为本发明在导电通孔下电极层上制备的选择开关器件层的结构示意图。 0032 图 4 显示为本发明在选择开关器件层上制备的导电互连通孔电极层的结构示意 图。 0033 图 5 显示为本发明在导电通互连孔电极层上制备的半导体激光器层的结构示意 图。 0034 图 6 显示为本发明在半导体激光器层上制备的导电透明电极层的结构示意图。 0035 图 7 显示为本发明在导电透明电极层上制备的相变材料层的结构示意图。 0036 图 8 显示为本发明在相变材料层上制备的导电反射层的结构示意图。 0037 图 9 显示为本发明在电反射层上制备的导电通孔上电极层的结构示意图。。

19、 0038 图 10 显示为本发明在电通孔上电极层制备的位线层的结构示意图。 0039 元件符号说明 0040 10衬底 ； 0041 20- 介质层 0042 100 字线 ； 0043 200 导电通孔下电极 ； 0044 300 选择开关器件 ； 0045 400 导电互连通孔电极 ； 0046 500 半导体激光器 ； 0047 600 导电透明电极 ； 0048 700 相变材料层 ； 0049 800 导电反射层 ； 0050 900 导电通孔上电极 ； 0051 110位线 具体实施方式 0052 以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式， 本领域技术人员可由本说明书 所揭露的。

20、内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。 本发明还可以通过另外不同的具体实 施方式加以实施或应用， 本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用， 在没有背离 本发明的精神下进行各种修饰或改变。 0053 请参阅附图所示。需要说明的是， 本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本 发明的基本构想， 遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数 目、 形状及尺寸绘制， 其实际实施时各组件的型态、 数量及比例可为一种随意的改变， 且其 组件布局型态也可能更为复杂。 0054 请参阅图 10 所示， 一种光电混合存储的相变存储器结构， 该相变存储结构包括制 说 明 书 CN 103559。

21、909 A 6 4/5 页 7 备有若干字线 100 的衬底 10 ； 位于所述字线上的若干导电通孔下电极 200 ； 所述导电通孔 下电极上方设有选择开关器件 300 ； 所述选择开关器件上方设有与其接触的导电互连通孔 电极 400 ； 所述导电通互连孔电极上方设有与其接触的半导体激光器 500 ； 所述半导体激光 器上方设有与其接触的导电透明电极 600 ； 所述导电透明电极上方设有与其接触的相变材 料层 700 ； 所述相变材料层上设有导电反射层 800 ； 所述导电反射层上设有导电通孔上电极 900 ； 所述导电通孔上电极上设有位线 110。 0055 具体的， 本发明光电混合存储的相。

22、变存储器具体制备方法如下 ： 0056 步骤 1 ： 在衬底 10 上采用 CVD 法制备多晶硅作为字线 100， 多晶硅线宽为 100nm， 厚度为200nm， 如图1所示。 本发明中， 制备字线层100所采用的方法可以选为溅射法、 蒸发 法、 化学气相沉积法、 等离子体增强化学气相沉积法、 低压化学气相沉积法、 金属化合物气 相沉积法、 分子束外延法、 原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种 ； 字线层材料可以为单 金属材料 W、 Pt、 Au、 Ti、 Al、 Ag、 Cu 和 Ni 中的任一种， 或其组合成合金材料， 或由所述单金属 材料的氮化物或氧化物。 0057 步骤 2 ： 采用 。

23、CVD 法制备 SiO2介质层 20， 利用光刻方法在 SiO2介质层中制备出通 孔， 并在通孔内采用 CVD 法制备 W 下电极层 200， W 电极的直径为 70nm， 高度为 200nm， 如图 2所示。 本发明中， 制备下电极层200所采用的方法可以选为溅射法、 蒸发法、 化学气相沉积 法、 等离子体增强化学气相沉积法、 低压化学气相沉积法、 金属化合物气相沉积法、 分子束 外延法、 原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种 ； 下电极材料可以为单金属材料 W、 Pt、 Au、 Ti、 Al、 Ag、 Cu 和 Ni 中的任一种， 或其组合成合金材料， 或由所述电极单金属材料的氮化 物或氧。

24、化物。 0058 步骤 3 ： 在导电通孔下电极层 200 上制备选择开关二极管器件 300， 二极管的特征 尺寸 （直径） 为 80nm， 高度为 2000nm， 如图 3 所示。本发明中， 制备的所述选择开关二极管器 件为同质型二极管、 异质型二极管、 晶体管、 双极结型晶体管中任一种。选择开关器件的制 备属于本领域的公知常识， 在此不再赘述。 0059 步骤4 ： 在选择开关二极管器件层上采用CVD法制备SiO2介质层， 利用光刻方法在 SiO2介质层中制备出通孔， 并在通孔内采用 CVD 法制备 W 互连通孔电极层， W 电极的直径为 70nm， 高度为100nm， 如图4所示。 本发。

25、明中， 制备互连通孔电极层400所采用的方法可以选 为溅射法、 蒸发法、 化学气相沉积法、 等离子体增强化学气相沉积法、 低压化学气相沉积法、 金属化合物气相沉积法、 分子束外延法、 原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种 ； 下电极 材料可以为单金属材料 W、 Pt、 Au、 Ti、 Al、 Ag、 Cu 和 Ni 中的任一种， 或其组合成合金材料， 或 由所述电极单金属材料的氮化物或氧化物。 0060 步骤 5 ： 在互连通孔电极层 400 上制备半导体激光器 500， 如图 5 所示。本发明中， 制备的所述半导体激光器为激光二极管激光器、 量子阱激光器、 应变量子阱激光器、 量子级 联激光。

26、器、 单异质结二极管激光器、 双异质结二极管激光器、 电子束激励半导体激光器、 自 组装量子点激光器、 面发射激光器中任一种。 半导体激光器的制备属于本领域的公知常识， 在此不再赘述。 0061 步骤6 ： 在半导体激光器500上采用CVD法制备SiO2介质层， 利用光刻方法在SiO2 介质层中制备出通孔， 并在通孔内采用磁控溅射法制备 ITO 导电透明电极层 600， ITO 的直 径为 100nm， 高度为 50nm， 如图 6 所示。 说 明 书 CN 103559909 A 7 5/5 页 8 0062 步骤7 ： 在导电透明电极层600上采用磁控溅射法、 Ge2Sb2Te5合金靶制备。

27、Ge2Sb2Te5 相变材料层 700， 工艺参数为 ： 本底气压为 110-5Pa， 溅射时 Ar 气气压为 0.2Pa， 溅射功率 为200W， 衬底温度为25， 薄膜厚度为50nm， 如图7所示。 所采用的方法为溅射法、 蒸发法、 化学气相沉积法、 等离子体增强化学气相沉积法、 低压化学气相沉积法、 金属化合物气相沉 积法、 分子束外延法、 原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种 ； 相变材料为硫系化合物、 GeSb、 SiSb 和金属氧化物中的任一种， 相变材料层结构的制备方法为光刻。 0063 步骤 8 ： 在相变材料层 700 上采用磁控溅射法、 高纯 Al 靶制备 Al 导电反射层。

28、 800， 工艺参数为 ： 本底气压为 110-7Pa， 溅射时 Ar 气气压为 0.5Pa， 溅射功率为 2000W， 衬底温 度为 25， 薄膜厚度为 70nm， 如图 8 所示。所采用的方法为溅射法、 蒸发法、 化学气相沉积 法、 等离子体增强化学气相沉积法、 低压化学气相沉积法、 金属化合物气相沉积法、 分子束 外延法、 原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种 ； 导电反射层为铝、 银、 金、 铜、 钨、 钛及其 合金中的任一种， 导电反射层结构的制备方法为光刻。 0064 步骤 9 ： 在导电反射层 800 上采用 CVD 法制备 SiO2介质层， 利用光刻方法在 SiO2 介质层中制。

29、备出通孔， 并在通孔内采用 CVD 法制备 W 互连通孔上电极层， W 电极的直径为 70nm， 高度为100nm， 如图9所示。 本发明中， 制备导电通孔上电极层900所采用的方法可以 选为溅射法、 蒸发法、 化学气相沉积法、 等离子体增强化学气相沉积法、 低压化学气相沉积 法、 金属化合物气相沉积法、 分子束外延法、 原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种 ； 上 电极材料可以为单金属材料 W、 Pt、 Au、 Ti、 Al、 Ag、 Cu 和 Ni 中的任一种， 或其组合成合金材 料， 或由所述电极单金属材料的氮化物或氧化物。 0065 步骤 10 ： 在导电通孔上电极上采用磁控溅射法、 。

30、高纯 Al 靶制备 Al 位线层 110， 工 艺参数为 ： 本底气压为 110-7Pa， 溅射时 Ar 气气压为 0.5Pa， 溅射功率为 2000W， 衬底温度 为 25， 薄膜厚度为 500nm， 如图 10 所示。本发明中， 制备位线层 110 所采用的方法可以选 为溅射法、 蒸发法、 化学气相沉积法、 等离子体增强化学气相沉积法、 低压化学气相沉积法、 金属化合物气相沉积法、 分子束外延法、 原子气相沉积法和原子层沉积法中任一种 ； 位线层 材料可以为单金属材料 W、 Pt、 Au、 Ti、 Al、 Ag、 Cu 和 Ni 中的任一种， 或其组合成合金材料， 或 由所述单金属材料的氮。

31、化物或氧化物。 0066 步骤 11 ： 最后把所有字线和位线与外围电路相连， 形成完整的光电混合存储的相 变存储器芯片。 0067 本发明的特点是利用激光信号实现信息的写入和擦除， 利用电信号实现信息的读 出， 从而充分利用了激光写入的高速特性和电信号读出的高信噪比特性， 实现高速的相变 存储器。综上所述， 本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。 0068 上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效， 而非用于限制本发明。任何熟 悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下， 对上述实施例进行修饰或改变。因 此， 举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精。

32、神与技术思想下所完 成的一切等效修饰或改变， 仍应由本发明的权利要求所涵盖。 说 明 书 CN 103559909 A 8 1/8 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103559909 A 9 2/8 页 10 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103559909 A 10 3/8 页 11 图 5 说 明 书 附 图 CN 103559909 A 11 4/8 页 12 图 6 说 明 书 附 图 CN 103559909 A 12 5/8 页 13 图 7 说 明 书 附 图 CN 103559909 A 13 6/8 页 14 图 8 说 明 书 附 图 CN 103559909 A 14 7/8 页 15 图 9 说 明 书 附 图 CN 103559909 A 15 8/8 页 16 图 10 说 明 书 附 图 CN 103559909 A 16 。